船闸输水廊道段混凝土浇筑工艺研究

2024-01-08朱冬晋王齐尹诗婷王能刘永胜勾正洪

中国水运 2023年12期

朱冬晋，王齐，尹诗婷，王能，刘永胜，勾正洪

（1.贵州省港航集团有限公司，贵州贵阳 550000；2.东南大学，江苏南京 211189；3.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410000）

清水江白市至分水溪航道工程位于贵州省黔东南州天柱县境内，起点为白市水电站，终点为分水溪。航道长35 km，由100～300 吨级提升至500 吨级航道，含船闸1 座、通航隧洞550 m、跨引航道桥2 座及周边道路恢复。船闸输水阀门段结构复杂且体积较大，传统的模板法存在施工难度大、施工周期长、施工精度差等缺点，因此采取整体装配式的新型施工方法建造输水廊道，即先以钢板、梁、柱等构建起船闸输水阀门段的整体装配式内壁钢结构，然后在钢结构之外进行混凝土连续浇筑，使内壁钢结构与壁外混凝土一起构成船闸输水廊道段。在钢结构之外进行的连续浇筑混凝土具有体积大面积大的特点，是典型的异型大体积混凝土结构。大体积混凝土的施工质量易受浇筑施工质量的影响，因此加强对大体积混凝土浇筑施工技术的研究至关重要。本文将详细介绍船闸整体装配式输水廊道混凝土施工的关键技术。

1 船闸整体装配式输水廊道混凝土施工技术难点

大体积混凝土一般指单次浇筑量超过1000 m3或结构实体的最小尺寸不小于2 m 的混凝土，在水利工程中采用大体积混凝土具有经济效益高且工程质量较好的优点，因而大体积混凝土施工技术被广泛应用[1]。但对于新型的船闸整体装配式输水廊道混凝土施工技术而言，仍存在一些施工技术难点。

1.1 温度裂缝的产生

船闸工程中，工程病害多发于施工期[2]。由于船闸本身的结构特点，大体积混凝土在施工期经常出现开裂的情况。据调查，国内许多船闸（短廊道输水系统）在廊道断面变化段均不同程度地产生了各种裂缝，导致输水系统漏水、船闸输水系统运行效率的降低以及系统故障和事故风险的增加等后果，故输水廊道混凝土的裂缝问题是船闸工程建设中需重点关注的质量通病之一[3]。开裂原因是多方面的，最主要的原因是混凝土结构的大体积特征导致单次浇筑量大，故相较于其他结构类型，水泥水化反应释放出的热量更多，更多的热量聚集在结构物内会使得结构物内外温度梯度差异大，当温差到达一定程度时，混凝土在温度应力的作用下产生裂缝，此类裂缝称为温度裂缝[4,5]。另外，干缩裂缝也是船闸输水廊道混凝土的常见病害之一，工程上往往借助加入膨胀剂的方法来应对[6]。

阀门段的混凝土浇筑通常是一个大型连续操作，故船闸输水廊道段施工中，主要结构在混凝土浇筑过程中产生内部的不均匀温度分布，极易导致温度裂缝问题，应重点关注大体积混凝土施工中可能出现的温度裂缝问题。

1.2 施工技术的高要求

浇筑一致性：在大体积混凝土施工中，确保混凝土的均匀分布和坍落度非常关键，以避免空隙和不均匀密实度。这要求操作员具备高超的技术和经验，以确保混凝土能够顺利充填模板。其中，坍落度是混凝土和易性的指标，工地与实验室中，通常做坍落度试验测定拌合物的流动性，并辅以直观经验评定粘聚性和保水性，用于判断施工能否正常进行[7]。船闸输水廊道通常具有复杂的几何形状，在壁外混凝土施工过程中，要确保混凝土在浇筑过程中均匀分布，且具有合适的坍落度，以便顺利充填复杂的结构形状和排除空隙。坍落度不足可能导致充填不均匀，坍落度过大则可能引发浆液分离问题。不同部位可能需要不同坍落度的混凝土，需要精确控制混凝土的坍落度，并根据需求调整。

振捣和抖捣：大体积混凝土通常需要采用振捣或抖捣等方法来排除气泡和提高混凝土的密实性。这些过程需要专业的设备和熟练的操作，以确保混凝土的质量。

1.3 施工工艺的复杂性

混凝土输送：对于大体积混凝土来说，将混凝土从搅拌站输送到施工现场，通常需要使用大型泵送设备。现场施工时，由于船闸阀门段通常位于较深的水下位置，因此需要使用特殊的混凝土输送设备，如长臂泵或水下浇筑技术，以确保混凝土能够准确充填各个部位。操作这些设备需要水平较高的技术技能。

施工计划和协调：实际工程中，船闸阀门段通常包括复杂的结构，如坝墙、导流构造物和水闸门等；施工可能需要大量的人力、设备和材料。因此，施工需要详细的浇筑计划，以确定浇筑的顺序和时间表，从而确保各个部分的混凝土能够顺利连接和整体装配。此外，需考虑混凝土的硬化时间和相邻部分之间的接缝处理。

综上所述，船闸输水阀门段整体装配式廊道混凝土浇筑是一项复杂的工程，需要适当的设备和控制措施以及专业的工程团队和严格的质量安全管理才能够成功应对这些技术难点。

2 船闸整体装配式输水廊道混凝土施工技术要点

在船闸输水阀门段整体装配式廊道混凝土施工中，混凝土的配合比、拌合运输、测温和控温、浇筑与振捣，以及养护至关重要。以下从这五个角度展开论述：

2.1 混凝土配合比

在船闸整体装配式输水廊道段混凝土施工中，混凝土配合比的设计和注意事项至关重要，它直接影响混凝土的质量和工程的性能。保证船闸输水阀门段大体积混凝土浇筑施工质量的关键是科学准备混凝土材料，需要从原材料选择和配合比优化两个方面进行准备。

一方面，是原材料的选择。首先，在选择水泥型号时，应优选低水化热的水泥材料，尤其要关注水泥中的矿物质成分和细度模数。这有助于降低混凝土的水化热反应，减少温升，从而防止在浇筑过程中出现的温度裂缝问题。当采用低水化热水泥时，需确保水泥的抗压强度不低于通过工程的强度要求而确定的混凝土设计强度等级，并且减少水泥的掺量，以保持混凝土的性能。其次，在水泥搅拌过程中，施工人员需要科学控制搅拌温度。刚出厂的水泥温度较高，直接搅拌可能导致水泥失去流动性，从而引发混凝土坍塌和碎裂问题。最后，在混凝土材料的配置阶段，适量添加粉煤灰、矿渣等替代材料以进一步降低水化热反应，有助于温度控制和减少裂缝风险并提高混凝土的凝结强度。

另一方面，是混凝土配合比的优化。混凝土配合比的设计需要综合考虑抗压强度、耐久性、坍落度以及和易性等多个因素。科学控制水胶比，以兼顾混凝土的流动性和强度。确保水胶比大于0.5，偏低的水胶比会影响混凝土的密实性；过高的水胶比会导致混凝土的强度下降和收缩问题。还应考虑骨料的选择和分级，设计合适的骨料分级曲线。分级的目的是使混凝土更加均匀和紧密，同时提高混凝土的抗压强度和流动性。骨料的分级应满足混凝土的流动性和坍落度要求。最后，还需要避免砂率过高或过低，以维持混凝土的强度。

合适的原材料选择和合理的配合比优化可以确保混凝土在浇筑过程中达到高质量的标准，减少了裂缝和其他质量问题的风险，从而保证工程的稳定性和耐久性。

2.2 混凝土拌合运输

混凝土拌合质量影响着混凝土的浇筑施工质量，因此施工人员必须以科学的方法来控制拌合速度、时间和温度，以确保混凝土的各种原材料均匀拌合且避免气泡的产生，从而提高混凝土的密实性和耐久性。选择合适的混凝土搅拌设备，确保混凝土的均匀性和质量。此外，确保搅拌罐满足无杂质、无积水的干净条件，以避免原水灰比发生变化。搅拌完成的混凝土应在规定时间内使用完，防止混凝土发生凝固和质变。

混凝土的运输也十分关键。施工人员应确保运输车辆行驶稳定，以避免混凝土在运输过程中发生不均匀沉降。此外，需要合理控制混凝土的温度和湿度，以防止在运输过程中发生质变。根据工程的需要，选择合适的混凝土输送方式，对于水下位置的施工，需要使用长臂泵或其他特殊设备来输送混凝土，确保能够准确充填各个部位。控制混凝土运输的距离和时间，较长的运输距离和时间可能导致混凝土早期失去流动性和坍塌性。混凝土在输送过程中还可能发生分离，即水分和骨料分层，应采取措施防止分离，如在混凝土搅拌车中采取适当的搅拌措施。

2.3 混凝土测温和控温

混凝土施工中的温度控制是保证工程质量的关键因素。温度直接影响着混凝土的性能、强度和裂缝问题。

混凝土浇筑过程中，要进行实时的温度监测，以确保混凝土内外温度分布均匀。高温会导致混凝土过早凝固和水分流失，影响混凝土的均匀性和强度；低温则可能延长凝固时间，影响施工进度。因此，施工人员必须时刻监测混凝土的温度，并采取措施调控，确保混凝土的性能得以保持。如果混凝土浇筑施工过程中的温度控制不合理，在混凝土施工的4 h 之内，大体积混凝土可能会出现裂缝问题。为此，依据水利工程混凝土施工的相关规定，针对于混凝土浇筑施工温度的控制时间间隔需小于4 h。在选择温度监测点时，先遵循对称性原则，在对称构件平面上选择监测点，常见的监测点位置为对称轴线上。如果施工平面不对称，则需要详细分析各立体面的形状和受力情况，以确定浇筑时的最佳温度监测点位置。

降低混凝土浇注温度的措施：①搭设遮阳棚：搭设通风良好的遮阳棚，避免混凝土原材料受强烈阳光曝晒；②洒水降温：在混凝土浇筑前的1 h 内对砂石料进行洒水降温，通过增加材料的含水率并调整混凝土的施工配合比来控制混凝土温度；③模板降温：在混凝土浇筑前对钢模板进行洒水降温，以减少模板传热导致的混凝土温度升高；④选择适当时段：选择在温度较低的时段进行混凝土浇注，如傍晚或早晨，以减缓混凝土的升温速度，提高施工质量。这些措施的合理应用有助于有效控制混凝土的温度，减轻温度对施工质量的不利影响，同时降低了裂缝问题的发生风险，确保了混凝土工程的成功实施。

2.4 混凝土浇筑与振捣

混凝土的浇筑要按照事先制定的计划进行，确保各个部位得到充分填充，精确控制浇筑顺序，以确保各构件连接无缝。混凝土浇筑需要采用分段分层的方法，即分仓、分块进行，确保底板和顶板浇筑后能够及时进行压光。通常情况下，分层浇筑的厚度一般不超过50 cm，并在多层连续浇筑时，确保各层之间的浇筑时间间隔不会超过初凝时间。最好连续浇筑混凝土，必要时尽量减少中断时间，确保在前层混凝土初凝前完成次层浇筑。由于混凝土材料本身存在一定的收缩性能，虽然在施工过程中无法完全消除，但可以通过科学的浇筑施工方法有效降低混凝土的收缩对施工质量的不良影响。因此，在正式开始施工之前，施工单位需要精确配制混凝土材料的参数，以便在浇筑施工完成后，有效控制混凝土材料的自身收缩性能和变形性能，从而减少混凝土表面裂缝的产生[8]。振捣混凝土要高效，以排除气泡，提高密实性，确保强度和耐久性。

在施工过程中，可以采用以下浇筑工艺来优化施工：①调整输水廊道的分块情况，将输水廊道与上部的边墩一起浇筑，以提高结构的整体性；②严格凿毛新老混凝土交接面，可以在混凝土中添加膨胀剂，以促使新老混凝土更好地结合；③在输送管出口处接上橡胶皮管，由工人用绳索牵引，以确保混凝土均匀入仓和分层，控制分层厚度在40 cm 左右；④延长混凝土搅拌时间从90s 至120s，确保充分均匀的搅拌。这些工艺可以有效提升施工效率和质量。

2.5 混凝土养护

混凝土浇筑后，需要进行充分的养护，确保混凝土在硬化过程中获得足够的强度和稳定性。对于混凝土的浇筑养护，施工人员应科学控制混凝土的温度和湿度，以最大程度地减少混凝土内外温差，降低混凝土表面水分蒸发速度。常见的养护方法包括采用保温法和降温法等。

在实际的船闸输水廊道混凝土养护过程中，为预防大体积混凝土因温度应力而产生裂纹的问题，可以从以下三个方面进行控制：①养护时间：确保混凝土获得足够的养护时间。通常，混凝土需要持续湿养护7 至14 天，具体时间取决于混凝土强度、气温和湿度等因素；②温度控制：控制养护环境的温度。混凝土强度的发展受温度的影响，确保环境温度在适宜的范围内，通常在10℃到30 ℃之间；③湿养护方式：使用适当的湿养护方式，如覆盖湿布、草帘布、湿沙浆或喷水等，以保持混凝土表面湿润，确保湿养护方式均匀分布在整个施工区域；④遮阳：在高温和强阳光的天气中，使用遮阳设备或覆盖物，以减少混凝土表面的直接暴晒。过度的阳光照射可能导致混凝土表面开裂。

综合来看，混凝土施工的各个环节都需要高度的注意和精细的计划，以确保整体装配式廊道混凝土的质量和安全性。通过合理的配合比设计、拌合运输、温度控制、浇筑与振捣，以及充分的养护，可以确保工程的成功完成。同时，施工人员需要具备高水平的技术和操作经验，以应对复杂的混凝土施工任务。